专利名称：适用于桥梁结构具有自恢复力的x形金属减震装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于土木工程、地震工程技术领域，具体为设置在没有自恢复力体系的桥梁结构中，如梁桥，拱桥等。具体设置的位置主要是在支座处，在一个方向(顺桥向或横桥向)提供滞回耗能，在与其正交的另一方向是采用固定支座，限制其运动。以此来减少提供滞回耗能方向的下部结构的力和墩梁相对位移，以此提高桥梁结构的整体抗震性能。
背景技术：
近年来，全球地震频发，从日本海嘯、青海玉树、汶川、海地、智利一直到近期各种地震报道在连续发生。据我国地震台网中心专家预测，全球目前处于地震活跃期，这一活跃期可能还要持续10年，而我国恰恰处于一个地震活跃区。因此，防震减灾形势非常严峻。自从改革开放以来，国家加强基础设施建设，全国范围内修建了大量的桥梁结构。但由于之前国内对桥梁结构的抗震设计认识不足，导致许多桥梁目前无法满足抗震性能要求。同时自从《城市桥梁抗震设计规范》颁布以来，许多新设计的桥梁的位移过大，采用常规的桥梁结构形式无法满足抗震要求。目前常规的桥梁抗震体系有两种:一种是固定型支座，要求支座在地震作用下不发生破坏；二是滑动型支座，即支座在正常使用状态下是固定的，在地震作用下受剪破坏，可以在地震作用下发生滑动。固定型支座在地震作用下要求桥墩和基础硬抗地震荷载，对桥墩和基础的抗震能力要求高；滑动型支座在地震作用下剪断瞬间的地震力很大，而通常在抗震验算中也不去考虑这种不可预测的不利因素，是不可靠的，同时滑动型支座可能在地震荷载作用下产生很大的位移，从而无法满足桥梁结构抗震需要。因此减隔震设计成为了桥梁结构设计的首选。减隔震设计是通过在支座处采用减隔震支座或被动阻尼装置，利用减隔震支座在地震作用下的屈服耗能从而减少下部结构的地震内力和位移。目前常用的减隔震支座有FPS(摩擦摆锤体系)、铅芯橡胶支座和盆式橡胶支座。采用的阻尼器装置也有粘滞液压阻尼器、粘弹性阻尼器、摩擦形阻尼器和金属阻尼器。但金属阻尼器相对于这些装置而言，制作安装方便，成本更低廉。金属阻尼器是通过钢材提前于结构进入塑性屈服状态，利用其稳定的滞回耗能性能来提供结构的附加阻尼。但是金属阻尼器进入塑性后的屈后刚度很小，即不能提供自恢复力，在具有自恢复力的结构中是可以使用的，如房屋结构、斜拉桥和悬索桥。但是在梁桥和拱桥中其必须与具有恢复力的支座协同作用(如板式橡胶支座)，由于板式橡胶支座在地震作用下的位移有限，使其运用范围受到限制。目前国内外在桥梁工程中较常用的被动减隔震装置和阻尼器有:粘滞液体阻尼器、FPS (摩擦摆锤体系)、铅芯橡胶支座和盆式橡胶支座等。这些支座均在国内外桥梁结构中有所运用，但都存在不足。如:盆式橡胶支座在遭遇地震或重大的振动性冲击时，上、下座板之间的水平位移得不到有效的缓冲。铅芯橡胶支座耗能能力强，温度、徐变等蠕变变形引起的支座次内力较小，但支座的剪切性能受竖向荷载的影响较大，且随着铅芯的增加，支座自恢复能力逐渐减弱，不能在具有多频谱效应的地震动中发挥其有效的减震性能。FPS (摩擦摆锤体系)的自恢复能力强、摩擦耗能性能稳定，但是在摩擦耗能的过程中会导致梁端的竖向位移而产生次内力，并且其摩擦耗能取决于竖向支座反力，竖向恒载较小的支座位置，其摩擦耗能能力有限。粘滞液体阻尼器是速度型阻尼器，由于与位移相位刚好相反，使其具有很好的减震耗能效果，但粘滞液体阻尼器的成本高昂、制作安装不方便、钢圈要求在地震来临之前密封好并保证不漏油，同时如果需要在桥梁结构双向同时使用时，需要经过精心的设计。鉴于上述不同类型被动阻尼器和减隔震装置存在的种种不足，设计一种具有自恢复力的X形金属阻尼器构件能够完美的考虑桥梁结构的抗震要求。
发明内容本实用新型的目的在于提供一种在桥梁结构上使用的具有自恢复力的X形金属减震装置，该装置能够提供桥梁结构正常使用状态下所需要的刚度，使其能够与滑动支座协同使用，并使其在桥梁结构上的运用范围更加广泛。同时在地震作用下利用X形金属阻尼器沿高度范围内全截面同时屈服，使其在地震作用下的截面屈服耗能利用率达到最大，从而减少桥墩下部结构的地震内力和墩梁之间的相对位移。通过在上顶板和下底板之间设置弹簧，使其在地震作用下提供X形金属阻尼器自恢复力，从而减少结构震后的残余位移。同时弹簧能够提供X形金属阻尼器初始刚度，使其能够满足正常使用荷载作用下的刚度需求以及减少结构在地震荷载作用下的位移需求。为达到以上目的，本实用新型设计思路是:该金属阻尼器装置中的X形钢板采用高强软钢，高强度的钢材能够提出更大的初始刚度，软钢能够提供稳定的塑性变形性能，可选用桥梁结构中常用的二级钢，钢材等级为C或D级，使其具有很好的塑性变形能力。该装置利用X形钢构件沿高度全截面同时达到屈服耗能的特点，使X形基本钢构件的耗能利用率达到最大化。同时在上顶板和下底板之间设置满足刚度需要的弹簧，使其在X形金属阻尼器位于地震作用下的变形过程中提供结构所需要的屈后刚度，从而提供该装置所需要的自恢复力，以减少其震后的残余位移。据此，本实用新型通过以下技术方案来实现:一种适用于桥梁结构具有自恢复力的X形金属阻尼器减震装置，其特征在于，该装置通过上顶板和下底板分别与桥梁结构的主梁和桥墩固定连接，该装置包括上顶板、下底板、金属阻尼器和弹簧装置，其中:所述上顶板和下底板均为矩形大尺寸金属板，且均为水平放置，它们将阻尼器装置牢固得固着于主梁和桥墩之间；所述金属阻尼器包括若干X形钢板，X形钢板为竖向放置的高强软钢板，各X形钢板间隔的平行布置，每片X形钢板的下底座焊接在所述下底板平面上，X形钢板的上顶座也同样焊接在所述上顶板平面上，所述弹簧装置包括若干弹簧，各个弹簧安装在各相邻的X形板之间，弹簧的两端也分别与上顶板和下底板焊接，单个弹簧的弹性常数和所需要总弹簧的数量由预设定的屈后刚度确定。基于上述结构，本实用新型减震装置通过X形钢板来提高滞回耗能能力，消散地震能量，减少桥墩及基础的地震内力以及与墩梁相对位移；同时通过弹簧提供屈后刚度，供应金属阻尼器的自恢复力，使结构的震后残余位移在可控制和接受范围以内。同时弹簧装置能够提供X形金属阻尼器初始刚度，使其能够满足正常使用荷载作用下的刚度需求以及减少结构在地震荷载作用下的位移需求。所述X形钢板之间的距离必须考虑钢板在反复荷载作用下的受力性能不受残余应力和影响，并沿着提供滞回耗能方向平行布置。对上述技术方案的进一步说明，所述上顶板与主梁之间具体可以采用锚栓连接方式以实现其固着；所述下底板可以预埋在桥墩上，同时通过锚栓与桥墩连接。金属阻尼器的安装应保证各局部部件的连接可靠，这是阻尼器正常工作的前提，为此，上顶板与主梁之间的锚栓连接要牢固，下底板与桥墩上的预埋件之间的锚栓连接也要牢固。进一步具体说明，所述X形钢板与上顶板、下底板之间采用角焊缝方式的焊接，焊条采用能够承受动力荷载的低氢型焊条，焊条的类型根据构件采用钢材的类型并参考相应的国家规范确定，并保证焊接质量。保证上顶板和下底板下底面的平整度，从而使上顶板与主梁之间、下底板与桥墩之间连接牢靠。进一步优化技术方案，所述弹簧装置的各个弹簧安装在X形钢板之间，弹簧两端分别与上顶板、下底板之间的连接采用焊接，但要保证端头连接在地震荷载作用下不发生破坏，从而充分发挥弹簧的刚度。进一步具体说明，所述弹簧装置的弹性常数和总数量，需要根据业主确定的可接受的结构残余位移来决定，必须保证整个装置在计算过程中的最大位移和残余位移在业主可接受的范围以内。本实用新型是一种具有自恢复力的X形金属阻尼器装置。将X形钢构件作为金属阻尼器，而弹簧作为提供金属阻尼器在地震作用下滞回耗能的恢复力。本实用新型装置具有较高的初始刚度，同时能够提供X形金属阻尼器自恢复力，减少其在地震作用下的残余位移和地震过程中的最大位移。同时可以不限制其一定要与可恢复性支座配合的要求，可以直接与普通滑动支座配合，正常使用荷载作用下的刚度可以通过X形金属阻尼器本身和弹簧共同提供，使其在桥梁结构上的应用更广泛。建议作为一种减隔震产品，在没有自恢复力功能的桥梁结构中(如梁桥和拱桥)使用。
图1本实用新型金属阻尼器减震装置横向图。图2本实用新型金属阻尼器减震装置纵向图。图3本实用新型金属阻尼器减震装置顶(底)板图构造。图4本实用新型在桥梁安装位置示意图。图中标号:11上顶板，111上顶板锚栓，112上顶板螺栓孔，2 X形钢板，3弹簧，41下底板，411下底板锚栓，412下底板螺栓孔，5主梁，6滑动支座，7桥墩。
具体实施方式
如图1、图2、图3所示，本实用新型适用于桥梁结构具有自恢复力的X形金属阻尼器减震装置包括若干X形钢板2、若干弹簧3、上顶板11和下底板41。各X形钢板2和各弹簧3都设置于上顶板11与下底板41之间，其顶部通过焊接与上顶板11连接，其底部通过焊接与下底板41连接。X形钢板2和弹簧3的数量可以根据具体情况视需要而定。[0027]适用于桥梁结构具有自恢复力的X形金属阻尼器减震装置的安装方法:上顶板11与桥梁主梁5固定，为此在上顶板四侧周边开设螺栓孔112，通过上顶板锚栓111与桥梁主梁底固定。下底板41与桥墩7固定，为此在下底板四周开设螺栓孔412，通过下底板锚栓411与桥墩上的预埋构件固定。安装结束。下底板41在X形钢板2相应位置处开了与X形钢板底边相同大小的矩形槽，即预留槽，预留槽在下底板41上为贯穿的。将X形钢板2嵌入到下底板41的相应预留槽中的规定位置。X形钢板2和下底板41使用同一种强度的钢材，并采用适用于该种强度下并能有效承受动力荷载的低氢型焊条通过角焊缝的方式来连接。X形钢板2与下底板41的上下面两侧都要用角焊缝焊接。为保证下底板41与桥墩7的预埋件平整连接，X形钢板2嵌入下底板41预留槽中时需预留焊接下底面时的角焊缝高度。X形钢板2与上顶板11连接时同样于其与下底板41的连接。从而，上顶板11可以带动X形钢板2和主梁5 —起发生侧向运动。本实用新型具有如下优点:I)提供金属阻尼器所需的自恢复力，减少地震残余位移:本实用新型装置在上顶板、下底板之间设置了能够提供弹性力的弹簧装置。弹簧装置的弹性位移大于X形钢阻尼器的位移能力，从而保证弹簧在地震作用下都在弹性限度范围以内。在地震作用下，X形钢阻尼器发挥滞回耗能的同时，上顶板和下底板之间会产生相对位移，因此弹簧就能在此过程中提供X形钢阻尼器所需的恢复力，减少装置在地震结束后的残余位移。2)增加X形阻尼器的初始刚度:对于弹塑性钢阻尼器而言，截面塑性利用率在地震作用中如果能够达到利用的最大化，它能够提供桥梁结构所需的位移能力也就越大。但是此时，单片弹塑性钢构件能够提供的初始刚度是比较小的，要使桥梁结构在地震作用下的位移在允许范围内，所需要提供的弹塑性钢阻尼器的块数需要很多。这样一来增加了弹塑性阻尼器的自重和造价，同时也可能在墩梁的有限空间中无法设置如此数量的弹塑性钢阻尼器。通过在X形钢阻尼器之间设置弹簧，可以增加X形钢阻尼器的初始刚度，从而减少钢阻尼器在强震作用下的墩顶和墩梁相对位移需求，对桥梁抗震有利。3)可利用的滞回耗能能力最大化:本实用新型装置以X形金属板为基本构件，采用具有很好塑性变形能力的高强软钢作为该基本构件的材料，在面外水平地震荷载作用下，沿X形构件高度范围内，每个高度截面内的曲率基本保持一致，使整个X形钢板在地震荷载作用下都同时进入塑性状态，从而使材料的屈服耗能利用率达到最大化。利用本实用新型X形金属阻尼器装置的高效耗能能力，不仅可以有效减少桥墩及其基础在强震作用下的地震内力，同时使墩梁之间的相对位移控制在允许范围之内，以保证整个桥梁结构在强震作用下满足抗震性能要求。4)如图4所示，可与滑动支座6配合，兼顾桥梁正常使用功能，满足各类桥梁的抗震需求。桥梁结构的抗震体系(不考虑减隔震)有两种。一种是支座为固定型支座，要求支座在地震作用下不发生破坏；二是滑动型支座，即支座在正常使用状态下是固定的，在地震作用下受剪破坏，变成滑动支座。固定型支座在地震作用下要求桥墩和基础硬抗地震荷载，对桥墩和基础的抗震能力要求高；滑动型支座在地震作用剪坏瞬间的地震力很大，而通常在抗震验算中也不去考虑这种不可预测的不利因素，是不可靠的，同时滑动型支座可能在地震荷载作用下产生很大的位移，从而无法满足抗震需要。采用本实用新型阻尼器装置后，X形钢阻尼器和弹簧装置能够提供初始刚度，从而满足桥梁正常使用功能下的刚度需求。同时与滑动型支座6配合(主要提供竖向刚度和水平滑动)，既可以减少桥墩和基础的地震内力，同时可以有效减少桥梁结构地震位移需求，使其运用范围更广。5)安装方便、震后修复快捷:由于桥梁结构具有“头重脚轻”的特点，质量基本集中在上部结构，因此需要支座具有一定的刚度才能使耗能更有效，所以建议桥梁上适用的钢阻尼器材料应为高强软钢材料。采用桥梁上常使用的二级软钢，成本低廉，制作工艺简便，工厂制作现场安装即可。而地震作用后，如果阻尼器装置发生破坏，也能够迅速对该装置的基本构件进行更换，为抗震救灾赢得宝贵时间。作为本阻尼器减震系统装置的X形钢板的具体尺寸和设置板数、材料强度等均可根据需要进行设计调整。本实用新型装置可知根据桥墩构造，设置在盖梁(或者墩顶横系梁)与主梁之间，但不局限于在墩梁之间。
权利要求1.一种适用于桥梁结构具有自恢复力的X形金属减震装置，其特征在于，该装置通过上顶板和下底板分别与桥梁结构的主梁和桥墩固定连接，该装置包括上顶板、下底板、金属阻尼器和弹簧装置，其中: 所述上顶板和下底板均为矩形大尺寸金属板，且均为水平放置，它们将阻尼器装置牢固得固着于主梁和桥墩之间； 所述金属阻尼器包括若干X形钢板，X形钢板为竖向放置的高强软钢板，各X形钢板间隔的平行布置，每片X形钢板的下底座焊接在所述下底板平面上，X形钢板的上顶座也同样焊接在所述上顶板平面上， 所述弹簧装置包括若干弹簧，各个弹簧安装在各相邻的X形板之间，弹簧的两端也分别与上顶板和下底板焊接，单个弹簧的弹性常数和所需要总弹簧的数量由预设定的屈后刚度确定。
专利摘要本实用新型的目的在于提供一种适用于桥梁结构具有自恢复力的X形金属减震装置，该装置能够提供桥梁结构正常使用状态下所需要的刚度，使其能够与滑动支座协同使用，并使其在桥梁结构上的运用范围更加广泛。同时在地震作用下利用X形金属阻尼器沿高度范围内全截面同时屈服，使其在地震作用下的截面屈服耗能利用率达到最大，从而减少桥墩下部结构的地震内力和墩梁之间的相对位移。通过在上顶板和下底板之间设置弹簧，使其在地震作用下提供X形金属阻尼器自恢复力，从而减少结构震后的残余位移。同时弹簧能够提供X形金属阻尼器初始刚度，使其能够满足正常使用荷载作用下的刚度需求以及减少结构在地震荷载作用下的位移需求。
文档编号E01D19/00GK203021906SQ20122068560
公开日2013年6月26日 申请日期2012年12月13日 优先权日2012年12月13日
发明者沈星, 倪晓博, 王晓伟, 叶爱君, 赫中营, 李闯 申请人:同济大学